水平荷載作用下塔型設備基礎的設計計算

楊進宏

（包頭市建設工程施工圖審查中心，內蒙古 包頭 014010）

水平荷載作用下塔型設備基礎的設計計算

楊進宏

（包頭市建設工程施工圖審查中心，內蒙古 包頭 014010）

本文就塔型設備結構設計中水平荷載計算進行闡述，使設計者能夠掌握塔基礎設計工程中的關鍵點，加深對塔基礎的認識.

塔型設備；風荷載；地震作用

塔型設備是石油化工、石油工業(yè)、化學工業(yè)等生產中最重要的設備之一.塔型設備由塔型設備本體、塔型設備附屬構筑物（如操作平臺、欄桿、梯子、管線等）、支持塔型設備的基礎這三部分組成.塔基礎支持塔型設備的全部荷載（包括垂直荷載、水平荷載等），所以塔基礎的設計非常重要，要求達到堅固、適用、經濟和合理.

塔型設備屬于高聳構筑物，在高聳構筑物計算中風荷載和地震作用的計算尤為重要.在塔基礎的結構設計中，應根據使用中在結構上可能同時出現(xiàn)的荷載，按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載效應組合.

表1 荷載組合表

通過表1可以發(fā)現(xiàn)在塔基礎結構設計中無論何種工況的組合都少不了風荷載.同時地震荷載在組合中往往起著決定性作用，《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》（SH3030-1997）中5.4.4列出了可不進行截面抗震驗算的幾種情況，說明在這幾種情況下風荷載起決定因素.本文重點討論風荷載作用和水平地震作用的塔型設備基礎的設計計算.

1 風荷載

露天放置的塔型設備在風力作用下，將在兩個方向上產生振動.一種是順風向的振動，振動的方向與風流向的一致，另一種是橫風向的振動，振動方向與風的流向垂直.前一種振動是常規(guī)設計的主要內容，后一種振動也稱風誘發(fā)的振動，在工程界以前較少予以重視，但現(xiàn)在對誘發(fā)振動的研究日益受到重視，而在塔型設備設計的時候考慮風誘發(fā)的振動已成為必然的趨勢.

1.1 風向風荷載（常規(guī)風荷載計算）

《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》（SH3030-1997）5.3.1條給出了塔風荷載標準值計算的公式

在這里僅就公式中幾個系數計算須注意的問題闡述如下：

（1）風振系數βz

《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》（SH3030-1997）5.3.2條：當塔型設備的基本自振周期T1≥0.25s時，應考慮由脈動風引起的風振影響

首先要計算塔體的自振周期，判斷是否需要考慮風振影響.在SH3030-1997附錄A中給出了塔的自振周期計算公式，但都是針對壁厚δ1≤30mm的塔，對于我們現(xiàn)在結構設計中遇到的壁厚是δ2≥30mm的塔體的自振周期則沒有提及，這就要另外尋找合適的計算方法了.規(guī)范《鋼制塔式容器》（JB/T 4710-2005）是一本設備專業(yè)的規(guī)范，在這本規(guī)范中有計算塔式容器基本振型的自振周期：對于直徑和厚度不變的每段塔式容器質量，可處理為作用在該段高度1/2處的集中質量.

H：塔式容器高度，mm

m0：塔式容器的操作質量，kg

（包括塔殼和裙座殼質量，內件質量，保溫質量，平臺扶梯質量，操作時塔內介質質量，人孔、接管、法蘭等附屬件質量，偏心質量）

Et：設計溫度下材料的彈性模量，MPa

δe：圓筒或錐殼的有效厚度，mm

Di：塔殼內直徑，mm

直徑、厚度相等塔式容器的第二振型與第三振型可分別近似取T2=T1/6，T3=T1/18.

我們可以對壁厚δ1≤30mm的塔分別用兩本規(guī)范的公式僅就圓筒（柱）式塔基礎進行計算，做一下對比：

表2 T1計算對比

從表2可以看出一般設備規(guī)范計算出來的周期較塔基礎規(guī)范計算出的周期長.且絕大多數塔周期都是≥0.25s的.

（2）脈動增大系數ξ

這個系數在《高聳結構設計規(guī)范》（GB 50135-2006）上可以查出，但要注意兩點：

第一：對于ωoT2，對地面粗糙度B類可以直接代入基本風壓，對于A類、C類、D類應分別乘以1.38、0.6和0.32.

第二：結構類別應選擇無維護鋼結構這項.

⑶振型、結構外形的影響系數ε2

訪談對象是西北民族大學2012級藏語言文學專業(yè)個別同學和2011級藏語言文學3班（師范類）部分同學，通過滾雪球的方式選擇了10位同學，由于訪談資料中有些問題涉及個人隱私，因此在訪談前，筆者首先與被訪者進行了接觸，取得信任后才正式進入到訪談階段，而且還利用了網絡聊天工具（QQ聊天平臺）進行網絡訪談，每位參與者在了解研究的性質后自愿參加，能夠對自己所持的婚戀態(tài)度及對婚姻的認識給予合理的解釋。訪談地點一般選在無人的教室或食堂內，時間不定。訪談時若被訪者已有戀愛對象，則選擇其戀愛對象不在場，以免影響被訪者真實想法的表達。

這個系數在表格中是一個范圍，在這個范圍是根據地面粗糙度類別選取的具體數值的.從A～D，B類取1/4處，C類取1/2處.

⑷體型系數μs和風載擴大系數μe

這兩個系數要放在一起說這牽扯到《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》和《高聳結構設計規(guī)范》上對μs取值的不同.

在《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》中明確規(guī)定μs取0.6，一般我們也按照這個取用.但是在《高聳規(guī)范》中體型系數選取表格4.2.7中有一項是明確為：石油化工塔型設備結構類型的.這一項是根據塔型設備直徑不同、塔體本身攜帶鋼梯不同來選取μs，其最小值也要比0.6大很多.在注1中提及這個μs是包括了平臺、扶梯等影響的單個塔型設備的.

對于不同規(guī)范的μs其取值依據是不同的，包含的意義也不同.在《塔基礎》中是用μe來考慮獨立平臺、聯(lián)合平臺、鋼斜（直）梯和管線等部分的風荷載的.在《高聳規(guī)范》中，這些因素都包含在μs這一個系數中的.也就是說《塔基礎》規(guī)范中μs（1+μe）才相等于《高聳規(guī)范》中的μs.

表3 μs計算對比

由表3可以看出《高聳規(guī)范》計算出的數值要大些，同時也可以發(fā)現(xiàn)塔型設備的直徑越大，風荷載擴大系數影響越小；塔型設備的直徑越小，風荷載擴大系數影響越大.

在這里還是要提一下《鋼制塔式容器》這本規(guī)范，在這本規(guī)范條文說明中提到，對于細長柱體結構，試驗表明體型系數與雷諾數Re有關，當Re≤1.5x105時，μs=1.2；當Re≥4x105時，μs=0.7.對具有圓柱形截面的塔器，常遇到的雷諾數都大于4x105，所以規(guī)定μs=0.7.

如果把0.7代入上表，可以看出這是介于《塔基礎》和《高聳》之間的一個數值《.鋼制塔式容器》中扶梯、護欄操作平臺也是另行考慮的.它的公式計算很細致，獲取那么多細部尺寸對我們專業(yè)來講比較困難，所以就沒有列出公式.但是它的意義和《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》中的μs一致.

1.2 橫風向風荷載

《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》中并沒有提及考慮橫風向風荷載，但是在《高聳結構設計規(guī)范》（GB 50135-2006）中4.2.11與4.2.12條提到了高聳結構應考慮由脈動風引起的垂直于風向的橫向共振的驗算《.建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2001）（2006）7.6提出了對一些情況下圓形截面橫風向風振（漩渦脫落）的校核.這表明對于大型塔型設備應該考慮到橫風向風荷載的影響

對于圓截面柱體結構，當發(fā)生漩渦脫落時，若脫落頻率與結構自振頻率相符，將出現(xiàn)共振.漩渦脫落頻率fs與風速v成正比，與截面的直徑d成反比.同時雷諾數Re，斯托羅哈數St它們在識別其振動規(guī)律方面有重要意義.

所謂漩渦就是風吹過塔體表面速度減小壓強增加在塔體后半周形成空白區(qū)，在逆向壓強梯度的作用下，必然有倒流的流體來補充，倒流的流體又受到高壓強的的影響而被推開，于是在塔體背后產生了漩渦.

發(fā)生橫風向共振有兩個條件：

第一，雷諾數Re≥3.5x106.

第二，結構頂部風速vH的1.2倍大于vcr，j.

產生橫向風振后在垂直的橫風向也產生風力，還可以產生風力矩，但是除重要的的特高的塔型設備結構外，一般可不考慮它的影響.

1.3 雙塔

這里的雙塔是指間距比較近的兩個獨立的塔.由于工藝需要常常有些塔被布置到離的很近的位置，有時需要把兩塔做成聯(lián)合基礎，這樣對于這兩個塔的風荷載會產生一定的影響.我們就不能僅就單個的塔進行計算，還要綜合考慮兩塔之間風荷載的變化，進行驗算.

由并列雙塔，當雙塔間距S=D體型系數接近單塔的系數，但當S＜D時，則μs有所提高（當S=D/4時，μs提高一倍）.

前后雙塔，對于前塔μs變化不大，但后面的塔μs則有變化，當S≤D/4時后塔μs變?yōu)樨撝担f明有“迎風倒”的趨勢.（S指兩塔之間的凈距）

2 地震作用

一般我們計算地震作用經常采用的方法大致為：

第一，底部剪力法，即首先根據結構的構造特點、重要性、動力特性、重量、地基條件及設計烈度等因素求出結構的底部剪力，亦即結構所受的總的地震剪力，然后將此總地震作用按某種規(guī)律分布給結構各質點.

第二，振型分解反應譜法.即首先求出各振型的最大反應，然后按某種方式進行組合.

2.1 底部剪力法

在使用此方法時須注意采用多質點體系計算，取總重力荷載代表值的85％進行計算，單質點體系則不必.

這樣對多質點體系總重力荷載代表值進行取用，反應了多質點體系底部剪力值與對應單質點體系（質量等于多質點體系總質量，周期等于多質點體系基本周期）剪力值的差異.

2.2 振型反應譜法

振型反應譜理論的基本假定是：結構地基相等于剛性平面，各點的運動完全一致；地面運動過程可以用強震觀測儀器的記錄來表示；并假定結構是彈性的.

在確定塔型設備的地震作用時，并不需要考慮所有的高振型，一般只需考慮它的第一、第二振型，必要時最多再考慮第三振型就足夠了.這是根據一般結構水平振動的頻譜特點和地面運動的主要周期特性得出的.

這里Xji：j振型i質點的水平相對位移可以按照《塔基礎設計與計算》表2-52選取.

2.3 地震影響系數α

地震影響系數α可以按照《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.5條計算，但是《抗震規(guī)范》并沒有明確塔的阻尼比ζ的取值.不過在《鋼制塔式容器》這本規(guī)范條文說明中提及，塔式容器是屬于高聳的柔性結構，因此塔式容器的阻尼比較標準設計反應譜所采用的ζ=0.05來得小.因此推薦ζ=0.01.

3 結語

本文對于塔式設備基礎結構設計中風荷載、地震作用計算涉及的方面進行了簡單的總結.

（1）對于位于框架內的塔，一般借助樓層或在樓層上做操作平臺，塔型設備本身平臺較少.在計算風荷載時一般選用《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》中μs=0.6，再結合擴大系數.如果是獨立在框架外的塔型設備，一般選用《鋼制塔式容器》中μs=0.7，但是計算公式還是用《石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范》中風荷載的計算公式.如果塔型設備很高、平臺、管道荷載很大會酌情選用《高聳結構設計規(guī)范》的計算方法.塔畢竟是設備不屬于結構，對于使用《高聳規(guī)范》還要斟酌.

（2）當計算雙塔聯(lián)合基礎時，即使是兩個獨立的塔型設備，也要根據塔間距考慮風荷載體型系數的互相影響.避免風荷載計算偏小.

（3）計算地震作用時一般用兩種方法都計算，并比較一下，選取一個大的.如果陣型反應譜法比底部剪力法小的多，會再加一個陣型計算，然后再進行比較.

〔1〕石油化工塔型設備基礎設計規(guī)范（SH3030-1997）.

〔2〕建筑結構荷載規(guī)范（GB50009-2001）（2006）.

〔3〕高聳結構設計規(guī)范（GB 50135-2006）.

〔4〕鋼制塔式容器（JB/T 4710-2005）.

〔5〕建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2001）.

〔5〕徐至鈞.高塔基礎設計與計算[M].北京：中國石化出版社，2002.

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A

1673-260X（2011）11-0129-03